DE102020119379A1 - Positioner self-assessment for digital twin - Google Patents
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Abstract
Bei einem Stellgerät (1) für eine prozesstechnische Anlage (100), wie eine Chemieanlage, ein Kraftwerk, eine Lebensmittel verarbeitende Anlage, oder dergleichen, umfassend ein Stellventil (3) zum Einstellen einer Prozessfluidströmung der prozesstechnischen Anlage (100),einen insbesondere pneumatischen Aktuator (5) zum Betätigen des Stellventils (3), und eine Stellgeräteelektronik (7) zum Bereitstellen eines insbesondere pneumatischen Steuersignals (s) für den Aktuator (5) in Abhängigkeit von einer Stellgröße (u), wobei die Stellgerätelektronik (7) eine Signalempfangsschnittstelle (71) zum Empfangen der Stellgröße (u) aufweist, ist vorgesehen, dass die Stellgeräteelektronik (7) eine Rechenvorrichtung (70) umfasst, die zum Bestimmen wenigstens eines Simulationsparameters (Θ) eingerichtet ist, der eine Signalantwort (x) des Stellgeräts (1) auf eine empfangene Stellgröße (u) charakterisiert, und dass die Stellgeräteelektronik (7) eine Signalausgabeschnittstelle (73) zum Abgeben des wenigstens einen Simulationsparameters (Θ) aufweist.In a control device (1) for a process plant (100), such as a chemical plant, a power plant, a food processing plant or the like, comprising a control valve (3) for adjusting a process fluid flow of the process plant (100), in particular a pneumatic actuator (5) for actuating the control valve (3), and control device electronics (7) for providing a, in particular, pneumatic control signal (s) for the actuator (5) as a function of a manipulated variable (u), the control device electronics (7) having a signal receiving interface ( 71) for receiving the manipulated variable (u), it is provided that the actuator electronics (7) comprises a computing device (70) which is set up to determine at least one simulation parameter (Θ) which is a signal response (x) of the actuator (1) characterized on a received manipulated variable (u), and that the actuator electronics (7) has a signal output interface (73) for delivering the least ens has a simulation parameter (Θ).
Description
Die Erfindung betrifft ein Stellgerät für eine prozesstechnische Anlage, wie eine Chemieanlage, beispielsweise eine petrochemische Anlage, ein Kraftwerk, eine Lebensmittel verarbeitende Anlage oder dergleichen.The invention relates to a control device for a process engineering plant, such as a chemical plant, for example a petrochemical plant, a power plant, a food processing plant or the like.
Aus
Für die Simulation des Betriebs des digitalen Abbilds der prozesstechnischen Anlage wird das Feldgerätmodul auf ein zu simulierendes Feldgerät aus einer Gruppe von vorbestimmten Feldgeräten festgelegt, wodurch zugehörige feldgerätspezifische Auslegungsparameter definiert werden. Die feldgerätspezifischen Auslegungsparameter können als Referenz-Simulationsparameter vorliegen. Beispielsweise können Referenz-Simulationsparameter bezüglich eines Feldgeräts definiert sein auf einem Datenblatt, um interessierten Fachleuten, wie Anwendern oder Forschungseinrichtungen, feldgerätspezifische Auslegungsparameter für ein Feldgerätemodul bereit zu stellen. Die Simulation des digitalen Abbilds der prozesstechnischen Anlage kann als Grundlage zur Ermittlung von optimalen Betriebsgrößen dienen. Als Randbedingung kann beispielsweise eine Fehlerminimierung eines Regelsignals, Reduzierung von Pegeln, Unter- oder Überschreiten eines Schwellenwertes vorgegeben sein. Alternativ kann als Randbedingung ein kritischer Betriebszustand angegeben sein, beispielsweise Kavitation, Geräuschpegel oder dergleichen. Alternativ oder zusätzlich können Randbedingungen durch einen Sicherheitsfaktor des Feldgeräts definiert sein, beispielsweise durch eine verbrauchte Luftmenge im Betrieb. Die feldgerätspezifischen Auslegungsparameter, welche dem Feldgerätemodell zugrunde gelegt werden, definieren einen möglichen Parameterbereich, dem ein konkreter, beispielsweise optimaler, Parameter ermittelt werden kann, um eine oder mehrere Randbedingungen zu erfüllen. Basierend auf dem Simulationsergebnis kann ein konkretes, physikalisches Feldgerät ausgewählt oder dimensioniert werden, um es in einer reellen prozesstechnischen Anlage einzusetzen.For simulating the operation of the digital image of the process engineering installation, the field device module is set to a field device to be simulated from a group of predetermined field devices, as a result of which associated field device-specific design parameters are defined. The field device-specific design parameters can be present as reference simulation parameters. For example, reference simulation parameters relating to a field device can be defined on a data sheet in order to provide interested experts, such as users or research institutions, with field device-specific design parameters for a field device module. The simulation of the digital image of the process engineering system can serve as a basis for determining optimal operating parameters. For example, error minimization of a control signal, reduction of levels, falling below or exceeding a threshold value can be specified as boundary conditions. Alternatively, a critical operating state can be specified as a boundary condition, for example cavitation, noise level or the like. Alternatively or additionally, boundary conditions can be defined by a safety factor of the field device, for example by an amount of air consumed during operation. The field device-specific design parameters on which the field device model is based define a possible parameter range for which a specific, for example optimal, parameter can be determined in order to meet one or more boundary conditions. Based on the simulation result, a concrete, physical field device can be selected or dimensioned in order to use it in a real process plant.
Wenn die in der reellen Anlage vorherrschenden Bedingungen abweichen von den Bedingungen, welche der Auslegungssimulation zugrunde gelegt wurden, kann dies zur Folge haben, dass nicht das in der Simulation berechnete optimale Verhalten erreicht wird oder dass andere Randbedingungen nicht eingehalten werden. Beispielsweise kann das Verhalten und die Interaktion eines bestimmten, reellen Prozessmediums anders sein als das Verhalten des simulierten Prozessmediums. Abweichende Anlagebedingungen können beispielsweise vorliegen, wenn virtuelle Betriebsparameter für die Simulationsumgebung basierend auf idealisierten Annahmen gewählt wurden, welche nicht mit reellen Betriebsbedingungen korrespondieren, oder wenn zur Auslegung einer Anlage eine Simulationsumgebung basierend auf Werten einer anderen Anlage verwendet wurden, die aufgrund von signifikant unterschiedlichen Umgebungsbedingungen nicht übertragbar sind. Es ist ferner denkbar, dass die einer Simulationsumgebung zugrunde gelegten, theoretischen Betriebsbedingungen sich unterscheiden von Betriebsbedingungen, die von einem Anlagenbetreiber tatsächlich eingestellt werden. Ausgehend von derartigen Unterschieden zwischen reeller Anlage und simulierter Anlage kann bei einem auffälligen Verhalten eines reellen Stellgeräts fälschlicherweise der Eindruck entstehen, das Feldgerät sei defekt.If the conditions prevailing in the real plant deviate from the conditions on which the design simulation was based, this can result in the optimal behavior calculated in the simulation not being achieved or in other boundary conditions not being met. For example, the behavior and interaction of a specific, real process medium may be different than the behavior of the simulated process medium. Deviating system conditions can exist, for example, if virtual operating parameters for the simulation environment were selected based on idealized assumptions that do not correspond to real operating conditions, or if a simulation environment based on values from another system was used to design a system, which does not due to significantly different environmental conditions are transferrable. It is also conceivable that the theoretical operating conditions on which a simulation environment is based differ from the operating conditions that are actually set by a system operator. Based on such differences between the real plant and the simulated plant, if a real actuating device behaves abnormally, the false impression can arise that the field device is defective.
Die Prozesssteuerung kann verknüpft sein mit einem Prozessmodell. Prozessmodelle können zur Vorgabe von Einstellparametern von PID (proportional/integral/derivative) Steuerungsroutinen unter Verwendung adaptiver Steuerungsverfahren eingesetzt werden, wobei die Einstellung einer PID- (oder sonstigen) Regelungen in Folge von Änderungen des Prozessmodells und/oder einer von dem Benutzer ausgewählten Einstellregel aktualisiert werden kann. In
Es ist eine Aufgabe der Offenbarung, ein Stellgerät bereitzustellen, das die Nachteile des Stands der Technik überwindet, insbesondere einen sicheren und optimierten Betrieb einer prozesstechnischen Anlage sicher und unter Verwendung geringer Rechen- und/oder Datenübertragungs-Leist unterstützt.It is an object of the disclosure to provide an actuating device that overcomes the disadvantages of the prior art, in particular supports safe and optimized operation of a process engineering system safely and using little computing and/or data transmission power.
Diese Aufgabe löst den Gegenstand von Anspruch 1. Demnach ist ein Stellgerät für eine prozesstechnische Anlage vorgesehen, wie eine Chemieanlage, beispielsweise eine petrochemische Anlage, ein Kraftwerk, beispielsweise ein Solarthermie Kraftwerk, eine Lebensmittel verarbeitende Anlage, beispielsweise eine Brauerei, oder dergleichen. Das Stellgerät umfasst ein Stellventil zum Einstellen einer Prozessfluidströmung der prozesstechnischen Anlage. Als Stellventil kann beispielsweise ein binäres Auf-/Zu-Ventil bezeichnet sein oder ein Ventil mit variabel einstellbarer Durchflussweite. Das Stellgerät umfasst ferner einen insbesondere pneumatischen Aktuator zum Betätigen des Stellventils sowie eine Stellgerätelektronik zum Bereitstellen eines pneumatischen Steuerungs- und/oder Regelungssignals für den pneumatischen Aktuator in Abhängigkeit von einer Stellgröße. Eine Stellgröße kann vorzugsweise ein analoges Stellsignal oder ein digitales Stellsignal sein. Ein analoges Stellsignal kann beispielsweise ein 4..20 mA Signal sein. Ein digitales Stellsignal kann beispielsweise ein pulsweitenmoduliertes Stellsignal gemäß dem HART-Protokoll sein. Die Stellgerätelektronik kann digitale und/oder analoge Elektronikkomponenten umfassen.This object solves the subject matter of
Die Stellgeräteelektronik kann als digitale Komponenten beispielsweise einen Datenträger mit darauf gespeicherten Befehlen und/oder einen Datenträger mit darauf gespeicherten Parametern oder dergleichen umfassen. Die Stellgerätelektronik weist eine Signalempfangsschnittstelle zum Empfangen der Stellgröße auf. Eine Stellgerätelektronik kann eine Rechenvorrichtung umfassen. Beispielsweise kann die Stellgerätelektronik einen Datenträger mit darauf gespeicherten Befehlen umfassen, wobei die Befehle, wenn man sie von einem oder mehreren Prozessoren der Rechenvorrichtung ausgeführt werden, die Rechenvorrichtung einrichten, eine Steuerungsfunktion, eine Regelungsfunktion und/oder eine Simulationsfunktion durchzuführen. Die Stellgerätelektronik kann eine Speicherstruktur aufweisen, welche Daten bereitstellt, um wenigstens ein Simulationsparameter und/oder wenigstens eine Simulationsstruktur bezüglich des Stellgeräts zu spezifizieren. Die Speicherstruktur kann in Form eines Arrays einer Tabelle oder einer Matrix angegeben sein und eine Vielzahl von Parametern und/oder Strukturen, insbesondere eine Historie zu unterschiedlichen Zeitpunkten bestimmter insbesondere gleichartiger Simulationsparameter und/oder Simulationsstrukturen zu spezifizieren. Die Speicherstruktur kann über einen ersten Index angesprochen werden, um einen Simulationsparameter abzurufen. Die Daten der Speicherstruktur können alternativ oder zusätzlich, als funktionale Daten definiert und beispielsweise eine Einsprungstelle einer Funktion definieren, welche bei Aufruf die jeweiligen Simulationsparameter generiert. Weitere Ausgestaltungen der Speicherstruktur sind denkbar und können sowohl an eine hardwareseitige oder softwaretechnische Struktur der Stellgerätelektronik, des Feldgeräts und/oder einer Simulationsumgebung angepasst sein.As digital components, the actuator electronics can include, for example, a data carrier with commands stored thereon and/or a data carrier with parameters or the like stored thereon. The actuator electronics have a signal receiving interface for receiving the manipulated variable. An actuator electronics can include a computing device. For example, the actuating device electronics can comprise a data carrier with commands stored thereon, the commands when they are issued by one or more processors of the computing device are performed, set up the computing device to carry out a control function, a regulation function and/or a simulation function. The actuator electronics can have a memory structure which provides data in order to specify at least one simulation parameter and/or at least one simulation structure with regard to the actuator. The memory structure can be specified in the form of an array, a table or a matrix and can specify a large number of parameters and/or structures, in particular a history at different times of certain, in particular similar, simulation parameters and/or simulation structures. The memory structure can be addressed via a first index to retrieve a simulation parameter. Alternatively or additionally, the data of the memory structure can be defined as functional data and, for example, define an entry point of a function which generates the respective simulation parameters when called. Further configurations of the memory structure are conceivable and can be adapted to a hardware or software structure of the actuating device electronics, the field device and/or a simulation environment.
Die Stellgerätelektronik weist eine Rechenvorrichtung auf, die zum Bestimmen wenigstens eines Simulationsparameters eingerichtet ist, der eine Signalantwort des Stellgeräts auf eine empfangene Stellgröße charakterisiert. Die Stellgerätelektronik weist ferner eine Signalausgabeschnittstelle zum Ausgeben des wenigsten einen Simulationsparameters auf. Die Stellgeräteelektronik kann dazu eingerichtet sein, wenigstens einen Simulationsparameter vermittels der Signalausgabeschnittstelle der Stellgerätelektronik abzugeben. Die Signalantwort des Stellgeräts kann beispielsweise definiert sein als eine mathematische Funktion, welche in Abhängigkeit von wenigstens einer Stellgröße und abhängig von wenigstens einem oder mehreren vorbestimmten Simulationsparametern, beispielsweise einem Referenz-Simulationsparameter, einem historischen Simulationsparameter oder dergleichen, ein Ergebnis bestimmt, das beispielsweise zu einer Betriebsgröße der prozesstechnischen Anlage, insbesondere des Stellgeräts, korreliert. Eine Betriebsgröße, wie eine Regelgröße, kann beispielsweise eine Temperatur, ein Druck, ein Durchfluss oder dergleichen, insbesondere bezogen auf das Prozessfluid, der prozesstechnischen Anlage, insbesondere im stromaufwärtigen Vorlauf und/oder im stromabwärtigen Nachlauf des Stellventils sein. Eine Betriebsgröße kann insbesondere die Stellung des Stellventils, beispielsweise eine Stellweite eines Ventilgliedes relativ zu einem Ventilsitz, eine Stellposition eines Hubstabes, beispielsweise relativ zu einer Referenzstelle des Gehäuses bezeichnen, wie ein Joch oder eine Laterne des Stellventils, und/oder eine Stellposition des pneumatischen Aktuators. Eine Betriebsgröße kann das pneumatische Steuerungs- und/oder Regelsignal der Stellgeräteelektronik für den pneumatischen Aktuator sein, insbesondere ein pneumatischer Druck in einer Steuerkammer des pneumatischen Aktuators und/oder einer Versorgungsleitung des Aktuators. Der von der Stellelektronik bestimmte Simulationsparameter kann als realistischer Simulationsparameter bezeichnet sein. Der Simulationsparameter kann vorzugsweise korrespondieren zu einer tatsächlich gemessenen Signalantwort des Stellgeräts auf eine empfangene Stellgröße.The actuator electronics have a computing device that is set up to determine at least one simulation parameter that characterizes a signal response of the actuator to a received manipulated variable. The actuator electronics also have a signal output interface for outputting the at least one simulation parameter. The actuator electronics can be set up to output at least one simulation parameter by means of the signal output interface of the actuator electronics. The signal response of the actuator can be defined, for example, as a mathematical function which, as a function of at least one manipulated variable and as a function of at least one or more predetermined simulation parameters, for example a reference simulation parameter, a historical simulation parameter or the like, determines a result which, for example, leads to a Operating size of the process plant, in particular the actuator, correlates. An operating variable, such as a controlled variable, can be, for example, a temperature, a pressure, a flow rate or the like, in particular in relation to the process fluid of the process plant, in particular in the upstream flow and/or in the downstream afterflow of the control valve. An operating variable can in particular denote the position of the control valve, for example a control width of a valve member relative to a valve seat, a control position of a lifting rod, for example relative to a reference point of the housing, such as a yoke or a lantern of the control valve, and/or a control position of the pneumatic actuator . An operating variable can be the pneumatic control and/or regulation signal from the actuator electronics for the pneumatic actuator, in particular a pneumatic pressure in a control chamber of the pneumatic actuator and/or a supply line of the actuator. The simulation parameter determined by the electronic control unit can be referred to as a realistic simulation parameter. The simulation parameter can preferably correspond to an actually measured signal response of the actuator to a received manipulated variable.
Ein Stellgerät, das dazu eingerichtet ist, einen neu bestimmten Simulationsparameter vermittelt einer Signalausgabeschnittstelle abzugeben, ermöglicht es, einer dem Stellgerät übergeordneten Leitwarte oder zentralen Computereinheit einer prozesstechnischen Anlage bereitzustellen. Die Leitwarte oder andere Computereinheit führt eine Simulation der prozesstechnischen Anlage, einen oder mehrere realistische Simulationsparameter oder Teile der prozesstechnischen Anlage unter Verwendung einer virtuellen Abbildung der prozesstechnischen Anlage, Teile der prozesstechnischen Anlage oder des Stellgeräts durchführt. Mit den realistischen Simulationsparametern kann eine virtuelle Abbildung der Simulation zugrunde gelegt werden, damit die Simulation auf realistischen Simulationsdaten und nicht auf hypothetischen Simulationsparametern basiert, welche zu Simulationsergebnissen führen, die signifikant von realistischen Signalantworten abweichen. Auf diese Weise ist es möglich, anhand der virtuellen Abbildung einer simulierten Anlage oder Teilen davon bessere Simulationsergebnisse hinsichtlich der optimierten Auslegung der Anlage und ihrer Komponenten umzusetzen, beispielsweise um optimale Stellgrößen im Hinblick auf einen Prozess der prozesstechnischen Anlage an das Stellgerät bereitzustellen.A control device that is set up to emit a newly determined simulation parameter via a signal output interface makes it possible to provide a control room or central computer unit of a process engineering system that is superordinate to the control device. The control room or other computer unit runs a simulation of the process plant, one or more realistic simulation parameters or parts of the process plant using a virtual representation of the process plant, parts of the process plant or the actuator. With the realistic simulation parameters, a virtual representation of the simulation can be used so that the simulation is based on realistic simulation data and not on hypothetical simulation parameters, which lead to simulation results that deviate significantly from realistic signal responses. In this way, it is possible to use the virtual representation of a simulated plant or parts thereof to implement better simulation results with regard to the optimized design of the plant and its components, for example to provide optimal manipulated variables with regard to a process of the process plant to the actuator.
Gemäß einer Ausführung weist die Stellgerätelektronik wenigstens einen Datenspeicher für den wenigstens einen Simulationsparameter auf, wobei der Datenspeicher wenigstens einen gespeicherten Referenz-Simulationsparameter für den wenigstens einen Simulationsparameter aufweist und/oder wobei der Datenspeicher zum Vorhalten von mehreren zu unterschiedlichen Zeiten bestimmten historischen Simulationsparametern eingerichtet ist. Ein Referenz-Simulationsparameter kann beispielsweise ein Simulationsparameter sein, welcher einer Angabe eines Datenblattes entspricht, und/oder der das Verhalten eines typischen Stellgeräts bestimmter Bauart unter Idealbedingungen charakterisiert. Als Referenz-Simulationsparameter kann beispielsweise ein gemäß dem
Historische Simulationsparameter wurden insbesondere durch die Stellgerätelektronik zu einem in der Vergangenheit liegenden Zeitpunkt bestimmt. Historische Simulationsparameter können vorzugsweise durch eine insbesondere sequentielle Nummerierung, einen Datums- und/oder Zeitstempel oder dergleichen identifiziert sein, um eine Unterscheidung der verschiedenen historischen Simulationsparameter voneinander und von dem aktuellen realistischen Simulationsparameter zu treffen. Die Identifizierung der historischen Simulationsparameter kann insbesondere eindeutig hinsichtlich der zeitlichen Abfolge der zeitlich nacheinander erfassten historischen Simulationsparameter sein. Dafür kann eine fortlaufende aufsteigende Nummerierung ausreichend sein. Historische Simulationsparameter werden insbesondere bei Verwendung des gegenständlichen Stellgeräts, insbesondere betriebsgemäßer Verwendung des gegenständlichen Stellgeräts in der prozesstechnischen Anlage bestimmt. Beispielsweise können historische Simulationsparameter regelmäßig, zu vorbestimmten Zeitpunkten und/oder vorbestimmten Ereignissen bestimmt und in dem Datenspeicher der Stellgerätelektronik als historische Simulationsparameter gespeichert werden. Beispielsweise können von der Stellgerätelektronik des Stellgeräts realistische Simulationsparameter in regelmäßigen zeitlichen Abständen, beispielsweise stündlich, täglich, wöchentlich, monatlich oder dergleichen (zunächst als aktueller realistischer Simulationspartner) bestimmt und simultan oder anschließend als historischer Simulationsparameter gespeichert werden. Historische Simulationsparameter können von der Stellgerätelektronik beispielsweise erzeugt werden, beispielsweise wenn regelmäßig realistische Simulationsparameter erfasst werden, wenn das Stellgerät eine insbesondere bestimmte Diagnosefunktion, insbesondere einen Teilhubtest und/oder einen Vollhubtest, durchführt.Historical simulation parameters were determined in particular by the actuator electronics at a point in time in the past. Historical simulation parameters can preferably be identified by, in particular, sequential numbering, a date and/or time stamp or the like in order to differentiate between the various historical simulation parameters and from the current realistic simulation parameter. The identification of the historical simulation parameters can in particular be unambiguous with regard to the chronological sequence of the historical simulation parameters recorded one after the other. A continuous, ascending numbering can be sufficient for this. Historical simulation parameters are determined in particular when the actuator in question is used, in particular when the actuator in question is used properly in the process plant. For example, historical simulation parameters can be determined regularly, at predetermined times and/or predetermined events, and stored in the data memory of the actuator electronics as historical simulation parameters. For example, the actuator electronics of the actuator can determine realistic simulation parameters at regular time intervals, for example hourly, daily, weekly, monthly or the like (initially as a current realistic simulation partner) and simultaneously or subsequently stored as historical simulation parameters. Historical simulation parameters can be generated by the actuator electronics, for example, when realistic simulation parameters are regularly recorded when the actuator performs a particularly specific diagnostic function, particularly a partial stroke test and/or a full stroke test.
Gemäß einer Weiterbildung eines Stellgeräts kann die Rechenvorrichtung dazu eingerichtet sein, ausgehend von einer empfangenen Stellgröße und wenigstens einem historischen Simulationsparameter und/oder wenigstens einem Referenz-Simulationsparameter eine virtuelle Signalantwort des Stellgeräts zu berechnen und die berechnete virtuelle Signalantwort mit einer vom Stellgerät insbesondere anhand von Sensoren erfassten Signalantwort zu vergleichen. Insbesondere umfasst das Stellgerät eine innere Steuerung oder eine innere Regelecke, die insbesondere eine Vorwärtsstrecke aus einer Ventilpositionssteuerung oder -regelungen, einem Aktuator und einem Stellventil umfassen kann. Die Ventilpositionssteuerung und/oder -regelung ist vorzugsweise durch die Stellgerätelektronik, insbesondere deren Rechenvorrichtung, realisiert. Die Stellgerätelektronik kann dazu eingerichtet sein, eine ihr zugeführte Stellgröße auf ein pneumatisches Steuersignal für den pneumatischen Aktuator abzubilden. Der Aktuator betätigt das Stellventil, sodass dieses eine Ventilstellung einnimmt. Die räumliche Ventilstellung kann beispielsweise durch einen Drehwinkel oder eine Linearposition definiert sein. Die Stellung des Stellventils kann durch einen geeigneten Positionssensor erfasst und der Stellgerätelektronik beispielsweise als skalarer Positionswert zur Verfügung gestellt werden. Wird der Stellwert der Stellgerätelektronik an ein beispielsweise inneres Referenzglied bereitgestellt, kann eine innere Regelstrecke oder Regelschleife geschlossen werden. Neben einer inneren Steuerung- oder Regelstrecke kann die Stellgerätelektronik gemäß dieser Ausführung wenigstens einen, insbesondere zwei, weitere Funktionsblöcke umfassen. Beispielsweise kann die Rechenvorrichtung des Stellgeräts dazu ausgestaltet sein, dass die Rechenvorrichtung ein erstes Berechnungsmodul, das als Simulationsmodul bezeichnet sein kann, für eine Simulation zum Bestimmen einer virtuellen Signalantwort auf Basis eines Referenz-Simulationsparameter und/oder wenigstens eines historischen Simulationsparameters und der empfangenen Stellgröße umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Rechenvorrichtung so eingerichtet sein, ein zweites Berechnungsmodul, das als Anpassungsmodul bezeichnet sein kann, zur Bestimmung eines realistischen, beispielsweise aktualisierten oder angepassten, Simulationsparameters bezüglich des Stellgeräts aufweisen. Die Rechenvorrichtung kann dazu ausgestaltet sein, ein Simulationsmodul auf Basis eines Grey-Box Modells durchzuführen. Ein sogenanntes Grey-Box Modell kann dazu verwendet werden, das Verhalten der inneren Vorwärtsstrecke beziehungsweise inneren Steuer- oder Regelstrecke zur Umsetzung der Stellgröße in einer Signalantwort numerisch zu approximieren, in diesem Fall kann dem Grey-Box Modell die Stellgröße der Stellgerätelektronik zugeführt werden. Die Simulation mit dem Grey-Box Modell würde dann einen virtuellen Ausgangswert (eine virtuelle Signalantwort) erzeugen, der eine Näherung für den Ausgangswert beziehungsweise die Signalantwort des realen Stellgeräts bietet. Das Grey-Box Modell bestimmt die virtuelle Signalantwort unter Berücksichtigung wenigstens eines historischen Simulationsparameters oder eines Referenz-Simulationsparameters. Die reale Signalantwort kann erfasst werden durch einen Sensor, beispielsweise einen Ventilpositionssensor, des Stellgeräts.According to a development of an actuator, the computing device can be set up to calculate a virtual signal response of the actuator based on a received manipulated variable and at least one historical simulation parameter and/or at least one reference simulation parameter and to compare the calculated virtual signal response with a signal from the actuator, in particular using sensors to compare the detected signal response. In particular, the actuating device comprises an internal controller or an internal control corner, which in particular can comprise a forward section made up of a valve position controller or controllers, an actuator and a control valve. The valve position control and/or regulation is preferably implemented by the actuator electronics, in particular its computing device. The actuator electronics can be set up to map a manipulated variable supplied to it onto a pneumatic control signal for the pneumatic actuator. The actuator actuates the control valve so that it assumes a valve position. The spatial valve position can be defined, for example, by an angle of rotation or a linear position. The position of the control valve can be detected by a suitable position sensor and made available to the control device electronics, for example as a scalar position value. If the control value of the actuator electronics is made available to an internal reference element, for example, an internal controlled system or control loop can be closed. In addition to an internal open-loop or closed-loop control system, the actuator electronics according to this embodiment can include at least one, in particular two, additional function blocks. For example, the computing device of the actuating device can be configured such that the computing device includes a first calculation module, which can be referred to as a simulation module, for a simulation to determine a virtual signal response based on a reference simulation parameter and/or at least one historical simulation parameter and the received manipulated variable . Alternatively or additionally, the computing device can be set up in such a way that it has a second calculation module, which can be referred to as an adaptation module, for determining a realistic, for example updated or adapted, simulation parameter with regard to the actuator. The computing device can be designed to carry out a simulation module based on a gray box model. A so-called gray box model can be used to numerically approximate the behavior of the inner forward system or inner open-loop or closed-loop control system for converting the manipulated variable in a signal response. In this case, the gray box model can be supplied with the manipulated variable of the actuator electronics. The simulation with the gray box model would then produce a virtual output value (a virtual signal response), which offers an approximation for the output value or the signal response of the real actuator. The gray box model determines the virtual signal response taking into account at least one historical simulation parameter or one reference simulation parameter. The real signal response can be detected by a sensor, for example a valve position sensor, of the actuator.
Das durch die Rechenvorrichtung implementierte Anpassungsmodul kann dazu eingerichtet sein, eine Anpassung des Simulationsmoduls, beispielsweise des Grey-Box Modells, vorzunehmen, um eine Abweichung, insbesondere eine numerische Differenz, zwischen der virtuellen Signalantwort und der realen Signalantwort zu verringern. Zu diesem Zweck kann das Anpassungsmodul dazu eingerichtet sein, wenigstens einen aktuellen und/oder realistischen Simulationsparameter zu bestimmen, indem ein Simulationsparameter neu berechnet wird oder indem ein ausgehend von einem Referenz-Simulationsparameter oder einem historischen Simulationsparameter ein aktualisierter realistischer Simulationsparameter derart bestimmt wird, dass die Rechenvorrichtung mit dem Simulationsmodul auf Basis des mittels dem Anpassungsmodul bestimmten aktualisierten Simulationsparameters eine bessere Näherung, beispielsweise eine geringere Abweichung, insbesondere eine geringere numerische Differenz zwischen der reellen Signalantwort und der virtuellen Signalantwort, erreicht.The adaptation module implemented by the computing device can be set up to adapt the simulation module, for example the gray box model, in order to reduce a deviation, in particular a numerical difference, between the virtual signal response and the real signal response. For this purpose, the adjustment module can be set up to determine at least one current and/or realistic simulation parameter by recalculating a simulation parameter or by determining an updated realistic simulation parameter based on a reference simulation parameter or a historical simulation parameter in such a way that the Computing device with the simulation module on the basis of the updated simulation parameter determined by the adaptation module achieves a better approximation, for example a smaller deviation, in particular a smaller numerical difference between the real signal response and the virtual signal response.
Gemäß einer Weiterbildung des Stellgeräts ist die Rechenvorrichtung dazu eingerichtet, eine Abweichung, insbesondere eine Differenz, zwischen erfasster realer Signalantwort und modellierter virtueller Signalantwort in zeitlicher Dimension, Amplitude und/oder Änderungsrate zu erkennen und anhand der Abweichung einen aktuellen Simulationsparameter zu bestimmen. Zum Erfassen einer Abweichung in zeitlicher Dimension und/oder Änderungsrate zwischen realer Signalantwort und virtueller Signalantwort kann die Stellgerätelektronik eine Reihe historischer Simulationsparameter aus einem Datenspeicher verwenden und/oder eine Reihe von in zeitlicher Abfolge ermittelter reeller Signalantworten. Beispielsweise kann das Stellgerät, insbesondere die Rechenvorrichtung des Stellgeräts, dazu eingerichtet sein, eine Reihe virtueller Signalantworten mit einem Simulationsmodul abhängig von einer Reihe von empfangenen Stellgrößen zu ermitteln und eine Reihe realer Signalantworten in Abhängigkeit von den selben empfangenen Stellgrößen erfassen. Das Anpassungsmodul der Recheneinheit kann dazu eingerichtet sein, eine Reihe in zeitlicher Abfolge erfasster virtueller Signalantworten und reeller Signalantworten abhängig von insbesondere den selben Stellgrößen miteinander in zeitlicher Dimension zu vergleichen, um beispielsweise festzustellen, ob die reelle Signalantwort in zeitlicher Dimension schneller oder langsamer ist als die virtuelle Signalantwort, und basierend auf dem Ergebnis dieses Vergleiches wenigstens einen Simulationsparameter zu aktualisieren. Beispielsweise kann anhand eines idealisierten Referenz-Simulationsparameters oder veralteter historischer Simulationsparameter das Simulationsmodul eine schnellere virtuelle Signalantwort im Hinblick auf eine Änderung einer Stellgröße, beispielsweise einer Antwort auf ein Stufensignal, erwarten, als die korrespondierende reelle Signalantwort erkennen lässt. Das kann beispielsweise der Fall sein, wenn sich der dynamische Reibkoeffizient des Stellventils im Vergleich zu einem Ausgangswert oder einem Idealwert statisch unterscheidet. Anhand des Vergleichs einer zeitlichen Abfolge von virtuellen Signalantworten und reellen Signalantworten miteinander kann das Anpassungsmodul erkennen, ob die für die virtuelle Abbildung als Simulationsparameter angenommene Änderungsrate zu der reell vorliegenden Änderungsrate korrespondierten oder eine signifikante Abweichung besteht. Beispielsweise können bei einem pneumatischen Stellgerät mit Federrückstellung die reelle Federkonstante und die als Simulationsparameter angenommene Federkonstante ungleich sein, was sich darin manifestiert, dass ein entsprechender Unterschied zwischen der Änderungsrate einer auf die Betriebsgröße Stellposition bezogenen virtuellen Signalantwort und entsprechender reeller Signalantwort zu erkennen ist. Eine Abweichung, insbesondere eine Differenz, zwischen einer erfassten reellen Signalantwort und einer virtuellen Signalantwort kann mit Hilfe eines Vergleichs mehrerer historischer reeller und virtueller Signalantworten erfolgen.According to a development of the actuator, the computing device is set up to detect a deviation, in particular a difference, between the recorded real signal response and the modeled virtual signal response in terms of time, amplitude and/or rate of change and to determine a current simulation parameter based on the deviation. To detect a deviation in the time dimension and/or rate of change between the real signal response and the virtual signal response, the actuator electronics can use a number of historical simulation parameters from a data memory and/or a number of real signal responses determined in a chronological sequence. For example, the actuating device, in particular the computing device of the actuating device, can be set up to determine a series of virtual signal responses with a simulation module depending on a series of received manipulated variables and to record a series of real signal responses depending on the same received manipulated variables. The adaptation module of the computing unit can be set up to compare a series of virtual signal responses and real signal responses recorded in a chronological sequence, depending in particular on the same manipulated variables in the time dimension, in order to determine, for example, whether the real signal response in the time dimension is faster or slower than the virtual signal response, and based on the result of this comparison to update at least one simulation parameter. For example, based on an idealized reference simulation parameter or outdated historical simulation parameters, the simulation module can expect a faster virtual signal response with regard to a change in a manipulated variable, for example a response to a step signal, than the corresponding real signal response indicates. This can be the case, for example, when the dynamic coefficient of friction of the control valve differs statically compared to an initial value or an ideal value. By comparing a time sequence of virtual signal responses and real signal responses with one another, the adaptation module can identify whether the rate of change assumed as a simulation parameter for the virtual image corresponds to the rate of change actually present or whether there is a significant deviation. For example, in the case of a pneumatic actuator with spring return, the real spring constant and the spring constant assumed as a simulation parameter can be unequal, which manifests itself in the fact that a corresponding difference can be seen between the rate of change of a virtual signal response related to the operating variable setting position and the corresponding real signal response. A deviation, in particular a difference, between a detected real signal response and a virtual signal response can take place with the aid of a comparison of a number of historical real and virtual signal responses.
Gemäß einer Weiterbildung kann die Stellgerätelektronik dazu eingerichtet sein, einen aktuellen Simulationsparameter mittels der Signalausgabeschnittstelle abzugeben, wenn die Stellgerätelektronik bei einem Vergleich eines aktuellen Simulationsparameters mit einem historischen Simulationsparameter oder einem Referenz-Simulationsparameter eine Abweichung, insbesondere eine Differenz, feststellt. Insbesondere kann die Stellgerätelektronik dazu eingerichtet sein, ausschließlich dann einen aktuellen Simulationsparameter auszugeben, wenn eine Abweichung, insbesondere eine Differenz, zwischen dem aktuellen Simulationsparameter und einem historischen Simulationsparameter oder einem Referenz-Simulationsparameter festgestellt wurde. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass das Stellgerät an einen entfernten Rechner, wie ein Zentralrechner einer prozesstechnischen Anlage, veränderte Simulationsparameter zeitnah mitteilten, sodass die virtuelle Abbildung des Stellgeräts einer Simulationsumgebung mit realistischen Simulationsparametern erfolgen kann. Gegebenenfalls kann erreicht werden, dass eine beispielsweise geringe verfügbare Bandbreite zur Datenübertragung durch das Abgeben aktualisierter Simulationsparameter nur geringfügig belastet wird.According to one development, the actuator electronics can be set up to emit a current simulation parameter using the signal output interface if the actuator electronics detects a deviation, in particular a difference, when comparing a current simulation parameter with a historical simulation parameter or a reference simulation parameter. In particular, the actuator electronics can be set up to only output a current simulation parameter when a deviation, in particular a difference, has been determined between the current simulation parameter and a historical simulation parameter or a reference simulation parameter. In this way, it can be ensured that the actuator promptly communicates changed simulation parameters to a remote computer, such as a central computer of a process engineering plant, so that the virtual mapping of the actuator can take place in a simulation environment with realistic simulation parameters. If necessary, it can be achieved that, for example, a small available bandwidth for data transmission can be used the submission of updated simulation parameters is only slightly burdened.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist der wenigstens eine Simulationsparameter ausgewählt aus einer Liste umfassend Totzeit, Diskretisierung, statische Steuerungs- und/oder Regelungsabweichung (beispielsweise Proportionalgewinn bei (Gain)), Kennlinie und/oder Steigung (beispielsweise Zeitkonstante) beziehungsweise Proportionalitätsfaktor zwischen einer Stellgröße, wie einem Eingangsstrom, und einer Betriebsgröße, wie einer Stellposition). Eine Diskretisierung kann eine Differenz in Zeitrichtung in und/oder Amplitudenrichtung zwischen einem vorherrschenden statischen Ausgangs-betriebswert, beispielsweise einer stationären Ist-Ventilstellung, und einem, beispielsweise in Folge statischer Reibung und Systemträgheit, nächstmöglichen anderen Betriebswert ausgehend von dem Ausgangs-Betriebswert beschreiben. Bezüglich der Kennlinie kann ein Simulationsparameter beispielsweise den P-(Proportionalitäts-), I (Integrations-) und/oder D- (Differenzierungs-) -faktor eines PID-Reglers, wie eines durch eine Rechenvorrichtung implementierten PID-Regelungsmoduls, beschreiben. Es sei klar, dass ein anderer, beispielsweise ein P-Regler, durch einen oder wenige Faktoren, beziehungsweise nur ein P-Faktor, charakterisiert sein kann. Ein Zwei-Punkt-Regler und/oder ein Drei-Punkt-Regler können charakterisiert sein durch eine Kennlinie, welche abhängig vom Wert oder einer Entwicklung einer Stellgröße relativ zu einem ersten und/oder zweiten Schwellenwert die korrespondierende Regelungsantwort charakterisiert. Für Kombinationen verschiedener Reglerarten ist es denkbar, dass das Simulationsparameter entsprechend der verschiedenen Regelungsarten für verschiedene Reglerbereiche bereitgestellt werden. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass eine Kennlinie charakterisiert ist als beispielsweise tabellarische Korrelationen zwischen Eingangswerten (Stellgrößen) und Ausgangswerten (Betriebsgrößen).According to a preferred embodiment, the at least one simulation parameter is selected from a list comprising dead time, discretization, static open-loop and/or closed-loop control deviation (e.g. proportional gain in (gain)), characteristic curve and/or gradient (e.g. time constant) or proportionality factor between a manipulated variable, such as an input current, and an operating variable, such as a setting position). Discretization can describe a difference in time direction and/or amplitude direction between a prevailing static initial operating value, for example a stationary actual valve position, and another operating value that is as close as possible, for example as a result of static friction and system inertia, based on the initial operating value. Regarding the characteristic, a simulation parameter may describe, for example, the P (proportionality), I (integration), and/or D (differentiation) factor of a PID controller, such as a PID control module implemented by a computing device. It is clear that another, for example a P-controller, can be characterized by one or a few factors, or only one P-factor. A two-point controller and/or a three-point controller can be characterized by a characteristic curve which characterizes the corresponding control response depending on the value or a development of a manipulated variable relative to a first and/or second threshold value. For combinations of different controller types, it is conceivable that the simulation parameters are provided according to the different controller types for different controller ranges. Alternatively or additionally, it is conceivable that a characteristic curve is characterized as, for example, tabular correlations between input values (manipulated variables) and output values (operating variables).
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführung, die mit den vorherigen kombinierbar ist, kann die Stellgerätelektronik dazu eingerichtet sein, dass das pneumatische Steuersignal in Abhängigkeit von einer Stellgröße gemäß einer Steuerungs- und/oder Regelungsstruktur bereit gestellt wird, wobei die Stellgerätelektronik dazu eingerichtet ist, wenigstens einen Simulationsparameter bezüglich einer insbesondere veränderten Steuerungs- und/oder Regelungsstruktur abzugeben. Beispielsweise kann ein Simulationsparameter die Steuerungs- und/oder Regelungsstruktur(en), die die gegenständliche Stellgerätelektronik verwendet, gemäß einer vorbestimmten Klassifizierung benennen. beispielsweise kann ein erster Name für eine PID-Reglerstruktur, eine zweiter Name für eine PI-Reglerstruktur, ein dritter Name für eine P-Reglerstruktur und ein vierter Name für eine Zwei-Punkt-Reglerstruktur vorbestimmt sein. Es sei klar, dass die vorstehende Auflistung verschiedener Reglerstrukturen rein exemplarisch und nicht auf die genannten Reglerstrukturen beschränkt ist.According to another preferred embodiment, which can be combined with the previous ones, the actuator electronics can be set up so that the pneumatic control signal is provided as a function of a manipulated variable according to a control and/or regulation structure, with the actuator electronics being set up to have at least one Submit simulation parameters with respect to a particular modified control and / or regulation structure. For example, a simulation parameter may designate the control and/or regulation structure(s) that the subject actuator electronics utilize according to a predetermined classification. for example, a first name can be predetermined for a PID controller structure, a second name for a PI controller structure, a third name for a P controller structure, and a fourth name for a two-point controller structure. It should be clear that the above list of different controller structures is purely exemplary and not limited to the controller structures mentioned.
Gemäß einer Ausführung eines Stellgeräts, die mit den vorherigen kombinierbar ist, sind die Signalausgabeschnittstelle und die Signalempfangsschnittstelle mit einer gemeinsamen Signalübertragungsleitung verbunden, insbesondere einer 4..20 mA Leitung, wobei die Signalempfangsschnittstelle dazu eingerichtet ist, die Stellgröße mittels der Signalübertragungsleitung zu empfangen und wobei die Signalausgabeschnittstelle dazu eingerichtet ist, den wenigstens einen Simulationsparameter mittels der Signalübertragungsleitung abzugeben. Das so eingerichtete Stellgerät kann auf einfache Weise vorhandene Kommunikationsmittel der prozesstechnischen Anlage nutzen, um einen von dem Stellgerät entfernten Rechner aktualisierte Simulationsparameter mitzuteilen.According to one embodiment of an actuator that can be combined with the previous ones, the signal output interface and the signal receiving interface are connected to a common signal transmission line, in particular a 4..20 mA line, the signal receiving interface being set up to receive the manipulated variable via the signal transmission line and being the signal output interface is set up to output the at least one simulation parameter by means of the signal transmission line. The actuating device set up in this way can use existing communication means of the process engineering system in a simple manner in order to communicate updated simulation parameters to a computer remote from the actuating device.
Gemäß einer optional mit der vorherigen Ausgestaltung kombinierbaren anderen Ausgestaltung des Stellgeräts umfasst die Signalausgabeschnittstelle eine Anzeigeeinheit, wie ein LCD-Display, zum optischen Ausgeben des wenigstens einen Simulationsparameters. Beispielsweise kann das Stellgerät dazu eingerichtet sein, in Reaktion auf eine Benutzerangabe insbesondere an dem Stellgerät, beispielsweise durch Steuertasten des Stellgeräts, auf einer Anzeigeeinheit des Stellgeräts optisch wenigstens einen oder mehrere aktuelle realistische Simulationsparameter auszugeben. Sofern das Stellgerät noch keine realistischen Simulationsparameter erfasst hat, kann es dazu eingerichtet sein, in Reaktion auf einen Bedienerbefehl mittels der Anzeigeeinheit hinterlegte Referenz-Simulationsparameter auszugeben.According to another embodiment of the actuator that can optionally be combined with the previous embodiment, the signal output interface includes a display unit, such as an LCD display, for the optical output of the at least one simulation parameter. For example, the actuating device can be set up to optically output at least one or more current realistic simulation parameters on a display unit of the actuating device in response to user information, particularly on the actuating device, for example using control buttons on the actuating device. If the actuator has not yet recorded any realistic simulation parameters, it can be set up to output reference simulation parameters stored by means of the display unit in response to an operator command.
Gemäß einer weiteren Ausführung eines Stellgeräts ist die Ausgabeschnittstelle dazu eingerichtet, den wenigstens einen Simulationsparameter, insbesondere mehrere Simulationsparameter, mit einer Datenübertragungsgeschwindigkeit von nicht mehr als 1200 bit/s, insbesondere nicht mehr als 600 bit/s oder nicht mehr als 300 bit/s auszugeben. Eine derartige Auslegung der Ausgabeschnittstelle stellt sicher, dass bei der Verwendung des gegenständlichen Stellgeräts in einer bestehenden Infrastruktur einer prozesstechnischen Anlage, die möglicherweise geringe Möglichkeiten zur Datenübertragung von einen oder mehreren Stellgeräten an eine andere Recheneinheit, insbesondere eine zentrale Leitwarte, sich innerhalb eines vertretbaren geringen Datenvolumens bewegt.According to a further embodiment of an actuator, the output interface is set up to output the at least one simulation parameter, in particular a plurality of simulation parameters, with a data transmission speed of no more than 1200 bit/s, in particular no more than 600 bit/s or no more than 300 bit/s . Such a design of the output interface ensures that when using the actuator in question in an existing infrastructure of a process engineering system, the possibly low possibilities for data transmission from one or more actuators to another processing unit, in particular a central control room, are within an acceptable low data volume emotional.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung eine prozesstechnische Anlage, wie eine Chemieanlage, einem Kraftwerk, einer Lebensmittel verarbeitende Anlage oder dergleichen mit mehreren wie oben dargelegt ausgebildeten Stellgeräten.According to a further aspect, the disclosure relates to a process plant, such as a chemical plant, a power plant, a food processing plant or the like with a plurality of actuators designed as set out above.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind in den nachfolgenden Abbildungen dargestellt, wobei:
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1 eine schematische Darstellung einer prozesstechnischen Anlage mit mehreren Stellgeräten; -
2 eine schematische Darstellung der Signalverläufe eines erfindungsgemäßen Stellgeräts; -
3 eine schematische Darstellung einer Ausführung eines erfindungsgemäßen Stellgeräts; und -
4 eine schematische Ansicht einer exemplarischen Implementierung eines Grey-Box-Modells in einem virtuellen Abbild eines Stellgeräts.
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1 a schematic representation of a process plant with several actuators; -
2 a schematic representation of the signal curves of an actuator according to the invention; -
3 a schematic representation of an embodiment of an actuator according to the invention; and -
4 a schematic view of an exemplary implementation of a gray box model in a virtual image of an actuator.
Zur Vereinfachung der Lesbarkeit sind in der folgenden Beschreibungen exemplarischer Ausführungen dieselben oder ähnlichen Komponenten mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen versehen.In order to simplify readability, the same or similar components are provided with the same or similar reference symbols in the following descriptions of exemplary embodiments.
Figur zeigt eine schematische Darstellung einer prozesstechnischen Anlage mit mehreren Feldgeräten, von denen wenigstens eines als erfindungsgemäßes Stellgerät 1 ausgestaltet sein kann. Die prozesstechnische Anlage 100 umfasst zur Beobachtung und Steuerung eines technischen Prozesses eine technische Steuerungsinfrastruktur. Die prozesstechnische Anlage 100 umfasst ein Leitsystem mit einem Leitstandrechner 101 und einem Prozessrechner 103. Die prozesstechnische Anlage 100 umfasst mit dem Prozessrechner 103 verbundene aktive Feldgeräte 111 und passive Feldgeräte 113.FIG. 1 shows a schematic representation of a process engineering system with a plurality of field devices, at least one of which can be designed as an
Aktive Feldgeräte 111 sind Feldgeräte, wie dass Stellgerät 1, die zum Eingriff in dem technischen Prozess beim Betrieb der prozesstechnischen Anlage 100 vorgesehen sind. Aktive Feldgeräte 111 umfassen geregelte und/oder ungeregelte (gesteuerte) Stellventile, Absperrventile und Pumpe umfassen.
Passive Feldgeräte 113 greifen nicht in den technischen Prozess ein. Beispiele für passive Feldgeräte 113 sind Sensoren. Sensoren 113 können beispielsweise Betriebsgrößen bezüglich der prozesstechnischen Anlage, insbesondere bezüglich eines Prozessfluides und/oder eines Hilfsenergiefluides, wie Pneumatikluft, der technischen Anlage 100 bestimmen. Ein Sensor 113 kann beispielsweise einen Druck, beispielsweise einen statischen- oder dynamischen Druck, eine Temperatur, eine Durchflussrate, beispielsweise einen Volumenstrom oder eine Strömungsgeschwindigkeit, des Prozessfluides oder eines Hilfsenergiefluides als Betriebsgröße der prozesstechnischen Anlage zu erfassen.
Das Betriebsverhalten einzelner Feldgeräte 111, 113, insbesondere des Stellgeräts 1, steht in Wechselwirkung zu Medien und Teilen und Komponenten der prozesstechnischen Anlage 100 und kann als ein Teil des in der prozesstechnischen Anlage realisierten Prozesses 104 betrachtet werden.The operating behavior of
In der in
Die prozesstechnische Anlage 100 kann mehrere passive Feldgeräte, insbesondere Sensoren 113, Messumformer und/oder Zustandsfühler, wie Kontaktfühler, umfassen, um die Wirkung der aktiven Stellgeräte 111 auf den Prozess 104 zu beobachten. Die Sensoren 113 können dazu dienen, einen Ist-Zustand der prozesstechnischen Anlage zu erfassen. Ein Sensor 113 kann dem Prozessrechner 103 wenigstens einen Messwert als Regelgröße y übermitteln.The
In der prozesstechnischen Anlage 100 kann einem aktiven Feldgerät, wie hier exemplarisch dargestellt dem Stellgerät 1 eine Stellgröße u übermittelt werden, um dem Feldgerät eine Vorgabe hinsichtlich einer durchzuführenden Einstellung zu übermitteln. Beispielsweise kann eine Stellgröße u an ein aktives Feldgerät 1, von dem Leitstandrechner 103 übermittelt werden, um zu erreichen, dass das Stellgerät 1 dahingehend auf den Prozess 104 einwirkt, dass die wenigstens eine Regelgröße y entsprechend einer von dem Leitstandrechner 101 und dem Prozessrechner 103 übermittelten Führungsgröße w angepasst, insbesondere daran angeglichen wird. Ein derartiges Vorgehen kann im Allgemeinen als Prozessregelung bezeichnet sein.In the
Das erfindungsgemäße Stellgerät m 1 realisiert ein aktives Stellgerät, dass ein Stellventil 3 zum Einstellen einer Prozessfluidströmung, einen pneumatischen Aktuator 5 zum Betätigen des Stellventils 3 und eine Stellgeräteelektronik 7 zum Übermitteln eines pneumatischen Steuersignals an den pneumatischen Aktuator 5 umfasst. Die Stellgeräteelektronik 7 ist dazu eingerichtet, das pneumatische Steuersignal für den pneumatischen Aktuator 5 abhängig von der wenigstens einen erhaltenen Stellgröße u einzustellen. Mit dem Stellgerät 1 kann ein Zu- oder Abfluss von Prozessfluid in der prozesstechnischen Anlage 100 gesteuert werden.The
Eine Stellgröße u kann im Allgemeinen die Art, Intensität, der Zeitpunkt und/oder die Dauer einer Einwirkung auch für die prozesstechnische Anlage durch ein bestimmtes aktives Feldgerät 111 qualitativ und/oder quantitativ vorgeben. Es ist denkbar, dass ein Stellgerät auf mehrere unterschiedliche Weisen auf den Prozess 104 einwirken kann und dafür entsprechend verschiedene Stellgrößen u können an das Stellgerät bereitgestellt werden.A manipulated variable u can generally qualitatively and/or quantitatively specify the type, intensity, point in time and/or the duration of an effect, also for the process engineering system, by a specific
Für die Übertragungen der Stellgröße u von dem Prozessrechner 103 an das Stellgerät 1 ist eine Signalübertragungsleitung 107 vorgesehen. Die Signalübertragungsleitung 107 kann insbesondere als 4..20 mA oder 0..20 mA Leitung realisiert sein, um insbesondere eine Stellgröße als ein 4..20 mA Stromsignal von dem Prozessrechner 103 an das Stellgerät 1 bereitzustellen. Die Steuerelektronik 7 des Stellgeräts 1 kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, abhängig von der Amplitude der Stellgröße, insbesondere proportional zu der Amplitude des 4..20 mA Signals, ein pneumatisches Steuersignal für den pneumatischen Aktuator 5 bereitzustellen. Das pneumatische Steuersignal für den pneumatischen Aktuator kann beispielsweise ein Druck oder ein Volumenstrom sein. Der Stellungsregler 1 kann eine optische Anzeigeeinheit 77 aufweisen, beispielsweise in Form eines LCD Displays, an der ein Simulationsparameter ausgegeben werden kann.A
Der Leitstandrechner 101 und/oder der Prozessrechner 103 oder einer anderen, nicht näher dargestellten Rechneranlage, können dazu eingerichtet sein, eine Simulation durchzuführen, die ein virtuelles Abbild 140 der prozesstechnischen Anlage 100 oder von Teilen oder Komponenten der prozesstechnischen Anlage darstellt. Ein Beispiel für eine derartige Simulation kann ein Verfahren zum Auslegen einer Feldgerätstation wie in
In der
Der Prozessrechner 103 kann neben der Prozessregelung 130 eine Simulation 140 anhand einer virtuellen Abbildung einer prozesstechnischen Anlage, Teilen der prozesstechnischen Anlage oder Komponenten der prozesstechnischen Anlage durchführen. Die Simulationsberechnung 140 kann beispielsweise die tatsächliche Führungsgröße w und/oder die aus der reellen prozesstechnischen Anlage erhaltenen realistische Regelgrößen y verarbeiten. Insbesondere kann die Simulation 140 ein virtuelles Abbild 141 des gegenständlichen Stellgeräts 1 umfassen. Auf Basis der Führungsgröße w bestimmt die mit dem Prozessrechner 103 durchgeführte Simulation 140 eine Modellregelgröße ỹ, die zur reellen Regelgröße y korrelieren soll.In addition to the
Der Datenpfad zur Übertragung von Simulationsparametern z aus dem Stellgerät 1 zu einem Referenzmodell 140 kann einem vorhandenen Datenpfad 107 zwischen dem Prozessrechner 103 und dem Stellgerät 1 entsprechen. Der Prozessrechner 103 umfasst ferner eine Anpassungslogik 150 die als Eingangswerte wenigstens eine Modellregelgröße ỹ, wenigstens eine dazu korrespondierende Stellgröße u empfängt. Die Anpassungslogik 150 kann dazu eingerichtet sein, wenigstens einen Reglerparameter p zu bestimmen und diesen der Prozessregelung 130 aufzuprägen, um die Prozessregelung 130 anhand einer Optimierungsfunktion zu verbessern. Der Reglerparameter p kann von der Anpassungslogik 150 bestimmt werden anhand von einer Abweichung zwischen reeller Regelgröße y und Modellregelgröße ỹ, mit dem Ziel, dass die Prozessregelung 130 mit dem von der Anpassungslogik 150 vorgegebenen Regelungsparameter p künftig eine Stellgröße u erzeugt, sodass die reelle Regelgröße y eine geringere Abweichung von der Modellregelgröße ỹ aufweist.The data path for the transmission of simulation parameters z from the
In einer prozesstechnischen Anlage mit einem erfindungsgemäßen Stellgerät 1, kann das Stellgerät 1 aus dem Prozess 104 wenigstens einen realistischen Simulationsparameter θ an den Prozessrechner 103 senden. Der Prozessrechner 103 kann die virtuelle Abbildung 141 des Stellgeräts 1 basierend auf dem realistischen Simulationsparamatern u anpassen. Durch die Anpassung der virtuellen Abbildung 141 des Stellgeräts 1 erfolgt eine Anpassung des Referenzmodells 140 im Sinne einer Verbesserung des Referenzmodells 140 durch Annäherung des simulierten Verhaltens des Referenzmodells 140 an das reelle Verhalten des Prozesses 104.In a process engineering system with an
Ein Prozessrechner 103 kann beispielsweise mit einem Simulationsmodul 140 und einer Anpassungslogik 150 ausgestattet sein, die Regelung 130 an geänderte Umgebungsbedingungen der prozesstechnischen Anlage 100 anpassen zu können. Beispielsweise kann eine optimale Regelung 130 für einen Prozess 104 in einer prozesstechnischen Anlage 100 bei hohen Umgebungstemperaturen im Sommer, andere Prozess-Parameter p erfordern als bei niedrigen Umgebungstemperaturen im Winter. Ein Prozess, der ein Verhalten aufweist, dass eine Abhängigkeit von der absoluten Zeit erfährt, kann im Allgemeinen als nicht-zeitvariabler Prozess bezeichnet sein. Nicht- zeitvariabler Prozesse liegen beispielsweise dann vor, wenn exakt im selben Zustand beginnende Prozesssituationen sich in Abhängigkeit von dem absoluten Zeitpunkt des Beginnens systematisch unterschiedlich entwickeln.A
Ein anderes Beispiel für eine vorteilhafte Verwendung eines Prozessrechners 103, dessen Regelung einstweilen durch eine Anpassung einer Anpassungslogik 150 mit veränderlichen Prozess-Parametern vorgegeben werden und passen auf solche Fälle bei denen beispielsweise in Folge einer geänderten Ansteuerung durch den Leitstandrechner 101 ein veränderliches Verhalten der Führungsgröße vorliegt. Beispielsweise kann ein Leitstandrechner 101 dazu konfiguriert sein, eine Führungsgröße w vorzugeben, die eine geringe Dynamik über einen langen Zeitraum hinweg hat. Falls die Konfiguration des Leitstandrechners 101 dahingehend geändert wird, dass die Führungsgröße mit einer hohen Dynamik einen geringen Zeitraum beaufschlagt ist, kann es in einer stabilen Prozessführung des Prozesses 104 sinnvoll oder sogar erforderlich sein, die Parameter der Regelung 130 anzupassen. Beispielsweise können bei einer Regelung 130, die als PID-Regler konfiguriert ist, deren P, I und/oder D-Anteile des Mittels der Anpassungslogik 150 an ein verändertes dynamisches Verhalten der Führungsgröße w angepasst werden.Another example of an advantageous use of a
Grundlegendere Änderungen könnte einen Wechsel zwischen einer ersten Reglerstruktur, beispielsweise einer PID-Reglerstruktur zu einer zweiten Reglerstruktur, beispielsweise einer Zwei-Punkt-Reglerstruktur oder einer Drei-Punkt-Reglerstruktur oder umgekehrt sein.More fundamental changes could be a change from a first controller structure, for example a PID controller structure, to a second controller structure, for example a two-point controller structure or a three-point controller structure, or vice versa.
Das Simulationsmodul 140 oder Referenzmodell des Prozessrechners 103 umfasst, wie oben beschrieben, ein virtuelles Abbild 141, das als digitaler Zwilling bezeichnet sein kann bezüglich des gegenständlichen Stellgeräts 1 in der prozesstechnischen Anlage 100. Die virtuelle Abbildung 141 des Stellgeräts 1 kann implementiert sein als ein Submodell innerhalb eines komplexeren Referenzmodells, wobei das Referenzmodell 140 die gesamte prozesstechnische Anlage 1 virtuell abbilden kann oder einen Teil der prozesstechnischen Anlage 100, innerhalb dem das Stellgerät 1 sich befindet. Das Referenzmodell 140 kann mehrere Submodelle für unterschiedliche aktive Feldgeräte 111 umfassen. Ein Submodell bezüglich eines aktiven Feldgeräts 111 kann durch eine deterministische Berechnungsformel in einer Digitalrecheneinheit in einer Rechenanordnung des Prozessrechners 103 implementiert sein. Beispielsweise kann ein Submodell als sogenanntes Grey-Box Modell implementiert sein. Eine virtuelle Abbildung 141 eines reellen, aktiven Feldgeräts 111, insbesondere des Stellgeräts 1, kann als deterministische Berechnungsformel realisiert sein, die den zeitlichen Verlauf einer quantifizierten Stellgröße u abbildet auf eine Betriebsgröße y, beispielsweise eine absolute Stellposition oder eine relative Stellposition (beispielsweise entsprechend einer 0-100%-Skala bezüglich einer Öffnungsweite des Stellventils).As described above, the
Die Stellgeräteelektronik 7 kann beispielsweise als eine digitale Stellungsreglerelektronik mit einer Recheneinheit 70 zum Ausführen wenigstens eines Programms oder Moduls, insbesondere mehrerer Programme oder Module eingerichtet ist sein. Die Recheneinheit kann als wesentliche Komponente einen Prozessor 75, eine Signalempfangsschnittstelle 71, einen Speicher 76, und eine Signalausgabeschnittstelle 73 umfassen. Ferner umfasst die Stellgeräteelektronik 7 wenigstens eine Steuerungs- und/oder Regelungsschnittstelle mit wenigstens einem Steuerungs- und/oder Regelungssignalausgang 74 zum Abgeben des insbesondere pneumatischen Steuersignals s an den insbesondere pneumatischen Aktuator 5. Ferner umfasst die Stellgeräteelektronik 7 wenigstens einen Regelgrößeneingang 72, welcher beispielsweise mit einem Positionssensor 13 oder einem anderem Sensor (nicht im Detail dargestellt) zum Empfang wenigstens einer Geräteregelgröße, beispielsweise einem x eingerichtet ist.The
Die Stellgeräteelektronik 7 ist dazu eingerichtet, abhängig von einer ihr zugeführten Stellgröße u und einer zugeführten Geräteregelgröße x das Steuersignal s zu erzeugen. Um das Steuersignal s zu erzeugen, kann die Recheneinheit 70 ein Steuer- und/oder Regelmodul oder -programm 30 mit Hilfe eines Prozessors 75 und eines Speichers 76 implementieren. Die Rechenvorrichtung 70 des Stellgeräts 1 kann dazu eingerichtet sein, eine Stellgröße u und eine Geräte-Regelgröße x oder ein durch ein Differenzglied zwischen Geräte-Regelgröße x und Stellgröße u berechneten Differenzwert zu erfassen und anhand einer in dem Speicher 76 der Recheneinheit 70 hinterlegten Steuerungs- und/oder Regelungsfunktion 30 eine Routine durchzuführen, die das Steuersignal s bestimmt. Das Steuersignal s kann von der Stellgeräteelektronik 7 mit dem Steuerungs- und/oder Regelungsausgang 74 an den Aktuator 5 übermittelt werden. Die Steuerungs- und/oder Regelungsausgang 74 kann zum Bereitstellen eines pneumatischen Steuersignals einen elektropneumatischen Wandler umfassen. Die Ausgabe 74 kann alternativ dazu eingerichtet sein, ein elektrisches Steuersignal für einen elektrischen Aktuator, beispielsweise einen Elektromotor, als analoges oder digitales elektrisches Signal, beispielsweise PWM-Signal, bereitzustellen (nicht näher dargestellt).The
Der Aktuator 5 betätigt das Stellventil 3, beispielsweise mittels einer Stellstange oder Stellwelle. Die Stellposition des Stellventils 3 kann mittels eines Positionssensors x erfasst und der Stellgeräteelektronik 7 als Geräte-Regelgröße x gemeldet werden. Die Geräte-Regelgröße x kann, wie zuvor beschrieben, eine absolute oder relative Stellung des Stellventils 3 beschreiben. Bei dem erfindungsgemäßen Stellgerät ist die Stellgeräteelektronik 7 ferner dazu eingerichtet, wenigstens einen, das Stellgeräts 1 betreffenden Simulationsparameter θ zu bestimmen. Zu diesem Zweck kann die Rechenvorrichtung 70 der Stellgeräteelektronik 7 eine mehrere Funktionen oder Module, insbesondere Simulationsmodulen 40 und ein Anpassungsmodul 50 aufweisen.The
Die Rechenvorrichtung 70 ist dazu eingerichtet, ein Simulationsmodul 40 zu implementieren, welches als Eingangswert eine Stellgröße u empfängt, um ausgehend von wenigstens einem Simulationsparameter θ eine individuelle Signalantwort x̃ zu berechnen, die zu einer reellen Signalantwort in Form einer Geräte-Regelgröße x korrespondiert. Gemäß einer Ausführung ist die Recheneinheit 70 dazu eingerichtet, zu implementieren, das eine mathematische deterministische Bestimmung einer virtuellen Signalantwort x̃ vornimmt, indem der deterministischen Funktion als Eingangswert die Stellgröße u als Variable vorgegeben wird. Die mit dem Simulationsmodul 40 implementierte deterministische Funktion umfasst als Simulationsparameter θ beispielsweise eine Totzeit, eine Diskretisierung und eine Kennlinie, welche eine Korrelation einerseits zwischen der Stellgröße andererseits und dem als virtuelle Signalantwort x̃ berechneten virtuellen Geräte-Regelwert definiert, welcher zu einem reellen Geräteregelwert x korrespondiert. Das von der Rechenvorrichtung 70 des Stellgeräts 1 implementierte Simulationsmodul 40 kann korrespondierend oder identisch ausgestaltet sein zu einer virtuellen
Anders gesagt ist das gegenständliche Stellgerät 1 dazu ausgestaltet, mit Hilfe seiner eigenen Rechenvorrichtung 70 einen virtuellen Zwilling seiner selbst zu implementieren, um eine Selbstüberprüfung bezüglich des Modellverhaltens, d.h. der virtuellen Signalantwort x̃ Abbild bzw. digitalen Zwilling 141 des Stellgeräts 1 und den reellen Signalantworten x des reellen Stellgeräts 1 in Reaktion auf dieselbe Stellgröße u umzusetzen.In other words, the
Die Rechenvorrichtung 70 ist ferner dazu eingerichtet, beispielsweise mittels eines Anpassungsmoduls 50 eine Abweichung zwischen virtueller Signalantwort x̃ und reeller Signalantwort x zu erfassen. Ausgehend von einer Diskrepanz zwischen virtueller Signalantwort x̃ und reeller Signalantwort x kann das Anpassungsmodul 50 aktualisierte bzw. korrigierte Simulationsparameter θ erzeugen. Die mit der Anpassungsmodul 50 berechneten wenigstens eine Simulationsparameter θ kann optional als historischer Parameter θH in dem Speicher 76 der Rechenvorrichtung 70 abgelegt werden und/oder mittels einer Netzwerkschnittstelle oder anderen Signalausgabeschnittstelle 73 über eine Signalübertragungsleitung 107 abgegeben werden.The computing device 70 is also set up to detect a deviation between the virtual signal response x - and the real signal response x, for example by means of an
Ein derartiges Stellgerät 1 vermag anhand eines virtuellen Zwillings seiner selbst zu bestimmen, ob die Wechselwirkung des reellen Stellgeräts 1 mit seiner Umgebung übereinstimmen mit dem Wechselwirkungen zwischen dem virtuellen Abbild 141 des Stellgeräts 1 in einer Simulationsumgebung 140. Anhand von Abweichungen zwischen dem reellen Verhalten des Stellgeräts und dem Verhalten seines virtuellen Abbildes 141 kann die Rechenvorrichtung die Simulationsparameter θ, welches das virtuelle Abbild definieren, anzupassen, um eine realitätsgetreuere virtuelle Abbildung zu erreichen. Such an
Indem das Stellgerät 1 ferner dazu eingerichtet ist, die durch den mit den Simulationsparametern mittels einer Signalausgabeschnittstelle 73 abzugeben, kann die Information bezüglich aktualisierter Simulationsparameter auch anderen Modellen, beispielsweise einen an einem Prozessrechner 103 umgesetzten Referenzmodell 140 übermittelt werden. Auf diese Weise kann ein Referenzmodell 140, insbesondere des ein darin verwendetes virtuelles Abbild 141 des Stellgeräts 1, eine realistischere Simulation durchführen, anhand der beispielsweise optimierte Stellgrößen u zur Steuerung des Stellgeräts bestimmt werden können, um einen Prozess 104 gemäß gewählter Optimierungskriterien beispielsweise schneller, effizienter, sicherer und/oder stabiler zu regeln.Since the
Von der Recheneinheit 70 wird ein Anpassungsmodul 50 beispielsweise durch den im Prozessor 75 und dem Speicher 76 implementiert. Das Anpassungsmodul 40 kann eine beispielsweise numerische Differenz oder andere Abweichung zwischen einer virtuellen Signalantwort x̃ und einer reellen Signalantwort x als Kriterium bezüglich der Qualität der durch das Simulationsmodul 40 implementierten Simulation interpretieren.An
Das Anpassungsmodul 50 kann als Berechnungsmodul zur Anpassung der Simulationsparameter θ bezeichnet werden. Das Anpassungsmodul 50 kann dazu eingerichtet sein, das in der exemplarischen Situation gewählte Simulationsmodell, beispielsweise ein Grey-Box Modell, derart anzupassen, dass eine numerische Differenz zwischen der virtuellen Signalantwort und der reellen Signalantwort x verringert, insbesondere auf ein Minimum reduziert, wird. Dem Fachmann sind eine Reihe von Optimierungsverfahren, beispielsweise iterative Optimierungsverfahren bekannt, die von dem Berechnungsmodul 50 umgesetzt werden können.The
Das Simulationsmodul 40 kann definiert sein durch eine strukturelle Beschreibung eines virtuellen Abbilds oder Modells des gegenständlichen Stellgeräts 1 und einen Satz von Simulationsparametern o. Die strukturelle Beschreibung kann als abstraktes Modell aufgefasst werden (beispielsweise als modellierter PID-Regler), dass durch einen Satz von Modellparametern bezüglich des gegenständlichen Stellgeräts 1 konkretisiert ist. In einem Neuzstand des Stellgeräts 1 können die bereitstehenden Simulationsparameter θ als Referenz-Simulationsparameter θR bereitgestellt sein, wobei Referenz-Simulationsparameter θR beispielsweise typenspezifisch hinsichtlich des gegenständlichen Stellventils als Fabrikeinstellung oder mittels eines Datenblattes bereitgestellt sein können.The
In Ausführungen mit mehreren alternativen Steuerungs- und/oder Regelungsstrukturen kann die Modellbeschreibung der Steuerungs- und/oder Regelungsstruktur selbst als Simulationsparameter betrachtet werden. Ein Modell einer Steuerungs- und/oder Regelungsstruktur kann durch einen oder mehrere Parameter beschrieben oder identifiziert sein. Ein oder mehrere Simulationsparameter, die eine modellierte Steuerungs- und/oder Regelungsstruktur identifizieren oder beschreiben, sind auf einem Speicher 76 der Rechenvorrichtung 70 des Stellgeräts 1 hinterlegt können und über eine Signalausgabeschnittstelle 73 an einen übergeordneten Simulationsrechner, wie mit dem hier exemplarisch beschriebenen Prozessrechner 103, übermittelt werden.In embodiments with several alternative control and/or regulation structures, the model description of the control and/or regulation structure itself can be viewed as a simulation parameter. A model of a control and/or regulation structure can be described or identified by one or more parameters. One or more simulation parameters that identify or describe a modeled control and/or regulation structure are stored in a
Die Rechenvorrichtung 70 kann vorzugsweise als eine Digitalrecheneinheit realisiert sein. Die Rechenvorrichtung 70 kann schematisch untergliedert werden in einem Prozessor 75, einem Speicher 76 und eine Netzwerkschnittstelle 73, die als Signalausgabeschnittstelle wirkt. Die Recheneinheit kann ferner wenigstens eine Signalempfangsschnittstelle 71 aufweisen. Die Signalempfangsschnittstelle 71 und/oder die Signalausgabeschnittstelle 73 können einen Analog-Digital-Wandler und/oder einen Digital-Analog-Wandler umfassen.The computing device 70 can preferably be implemented as a digital computing unit. The computing device 70 can be divided schematically into a
In der oben beschriebenen Ausführung wird das Steuerungs- und/oder Regelungsmodul 30 wie auch das Simulationsmodul 40 und das Anpassungsmodul 50 bezogen auf die primäre Wirkung des Stellgeräts 1, also die im Kontext der Prozessregelung vorgegebene kausale Verkettungen zwischen Stellgröße u und Regelgröße bzw. reeller Signalantwort x. Zusätzlich zu der Primärwirkung des Stellgeräts 1 kann das Stellgerät 1 weitere für den Prozess 104 relevante sekundäre Wirkungen aufweisen, die für das Steuer- und/oder Regelungsmodul 30 und/oder das Simulationsmodul 40 zu berücksichtigen sind, um eine optimierte Prozessführung erreichen zu können.In the embodiment described above, the control and/or
Es ist denkbar, dass eine Sekundärwirkung des Stellgeräts 1 eine Geräuschentwicklung oder anderweitige Emission aus dem Stellgerät 1 betrifft. Beispielsweise kann als Sekundärwirkung ein Wärmeintrag von dem Stellgerät 1 in den Prozess 104 relevant sein. Beispielsweise kann die Abwärme eines durch einen elektrischen Aktuator angetriebenen Stellgeräts 1 relevant sein für den Energieverbrauch einer Klimatisierung oder für deren Potential, an einer vorgegebenen Stelle einer technischen Anlage 100 eine bestimmte Temperaturvorgabe einzuhalten. In einem solchen Fall können die Stellgröße u und/oder die Geräteregelgröße x sich auf eine Temperatur beziehen.It is conceivable that a secondary effect of the
Bei einem Stellgerät mit Druckluftbetrieb, beispielsweise mit einem pneumatischen Aktuator 5 kann eine Sekundärwirkung der Luftverbrauch des Stellgeräts 1 sein. Beispielsweise kann als Betriebsparameter der Luftverbrauch des Stellgeräts 1 insbesondere abhängig von einer gewünschten Änderung der Primärwirkung relevant sein. Es ist denkbar, dass ein Betriebsparameter den Luftverbrauch des Stellgeräts 1 betrifft. Ein relativ hoher Luftverbrauch des Stellgeräts 1 kann zu einer Auswirkung, beispielsweise einer Schwankung, auf die Druckluftversorgung auch für andere Stellgeräte führen. Eine derartige Änderung kann eine Wechselwirkung zur Folge haben, die sich auf das Betriebsverhalten des betrachteten Stellgeräts 1 oder andere aktiver Feldgeräte 111 der prozesstechnischen Anlage 100 auswirkt. Beispielsweise kann mehreren aktiven Feldgeräten 111 wie beispielsweise in
Eine weitere Alternative für eine Betrachtung mit einem Simulationsmodell 40 könnte die statistische Betriebsdauer bis zu einem nächsten Wartungszeitpunkt betreffen, die Abgabe brennbarer Antriebsgase, die Entnahme elektrischer Leistung aus einer elektrischen Versorgungseinrichtung (elektrische Hilfsenergie) oder den Zugriff auf die Bandbreite einer insbesondere digitalen Signalübertragungsleitung 107. Das Simulationsmodell 3 des Stellgeräts 1 beziehungsweise des virtuellen Abbildes 141 des Stellgeräts 1 kann alternativ oder zusätzlich zu einer Primärwirkung des Stellgeräts 1 eine oder mehrere andere Signalantworten betrachten.Another alternative for a consideration with a
Ein Modell zur Simulation des exemplarischen Stellgeräts beispielsweise als virtuelle
Die in
Verschiedene Betriebsarten werden bei der virtuellen Abbildung gemäß der
Das virtuelle Abbild 400 kann mit Hilfe der Betriebsarterkennung 410 dazu eingerichtet sein, von einer bestimmten erkannten Betriebsart b1 oder b2, abhängige Simulationsparameter θ verwenden. Dies kann dazu benutzt werden, die Simulationsparameter θ für verschiedene Betriebsarten b1, letztlich b2 gesondert anzupassen.The
Unter Verwendung des ersten Berechnungsabschnittes 401 bezüglich des statischen Übertragungsprofils kann eine Abweichung zwischen einem statischen Übertragungsprofil des Stellgeräts 1 von einem vorbekannten idealem Übertragungsprofil abzubilden. Ein ideales Stellgerät 1 kann eine statische Übertragungsfunktion in Form einer diagonalen Geraden mit einer konstanten Steigung 1 aufweisen, wobei eine stellgerätspezifisch modulierte Stellgröße u* gleich der empfangenen Stellgröße u wäre. Reale Stellgeräte 1 können insbesondere innerhalb eines zulässigen Toleranzbereiches von einem idealen Verhalten abweichen. Die Allbeziehungen einer derartigen, zulässigen Abweichung vermittelt seiner statischen Übertragungsprofil erhöht die Genauigkeit des virtuellen Abbildes 40/141. Im Folgenden würde der Begriff für virtuelles Abbilden der Einfachheit halber durchgängig verwendet, wobei klar sei, dass das beschriebene virtuelle Abbild wahlweise als virtuelles Abbild 141 durch die Rechenanordnung des Prozessrechners 103 oder als Simulationsmodul 40 des Stellungsreglers 1 implementiert sein kann.A deviation between a static transmission profile of the
Der zweite Berechnungsabschnitt 420 der virtuellen Abbildung des Stellgeräts 1 kann in einer exemplarischen Auslegung die Dynamik des Stellgeräts 1 das von der Stellgröße u ausgehend mit dem Zwischenresultat u* einem Zeitverhalten unterworfen werden, was beispielsweise durch ein Verzögerungsglied erster Ordnung, wie vorliegend dargestellt, realisiert sein kann. Es ist denkbar, komplexere, insbesondere nichtlineare Übertragungsfunktionen betreffend des Zeitverhaltens vorzusehen.In an exemplary design, the
Der dritte Berechnungsabschnitt 430 kann optional verwendet werden, um eine eventuelle relevante Totzeit TD in die virtuelle Abbildung des Stellgeräts 1 einzuführen. Abgesehen von einer zeitlichen Verschiebung entsprechend der Totzeit TD kann ein von dem im zweiten Berechnungsabschnitt 420 bestimmter Zwischenwert
Der in dem in
Ein anderes Beispiel kann ein Stellgerät 1 mit einer reibungsbehafteten Betätigung des Stellventils 3 mit dem insbesondere pneumatischen Stellantrieb 5 betreffen, bei dem aufgrund von Elastizität und/oder Reibung am Antriebsstrang ausgehend von einem feststehenden Ausgangspunkt durch den sogenannten Stick-Slip-Effekt ausgehend von einer stillstehenden Startposition zunächst ein gewisser Mindeststellweg (Ruckgleiten oder Losbrechen) das reelle Verhalten des Stellgeräts 1 charakterisiert. Insbesondere bei einem Stellgerät 1 mit einem pneumatischen Aktuator 5 kann der sogenannte Reibungskorridor für die Genauigkeit der virtuellen Abbildung des Stellgeräts relevant sein. Die Beschreibung des Reibkorridors kann implementiert sein mit Hilfe einer absoluten oder einer relativen Stufen- oder Treppenfunktion. Als Simulationsparameter θ kann bezüglich der Diskretisierung oder Quantifizierung eine Schritthöhe q definiert sein. Die Schritthöhe q kann eine gleichmäßig geteilte absolute Quantifizierung beispielsweise einer Treppenfunktion beschreiben oder die Breite einer hystereseartigen in einem reibungsbehafteten pneumatischen Antrieb.Another example can relate to an
Die Merkmale der einzelnen Ausführungen der vorliegenden Erfindung können in einer beliebigen Kombination in weiteren Ausführungen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein und die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine bestimme oder isolierte Merkmalskombination von Ausführungen beschränkt.The features of each embodiment of the present invention may be provided in any combination in other embodiments of the present invention, and the present invention is not limited to any particular or isolated feature combination of embodiments.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Stellgerätactuator
- 33
- Stellventilcontrol valve
- 55
- Aktuatoractuator
- 77
- Stellgeräteelektronikactuator electronics
- 1313
- Sensorsensor
- 3030
- Reglermodulcontroller module
- 4040
- Simulationsmodulsimulation module
- 5050
- Anpassungsmodulcustomization module
- 7070
- Rechenvorrichtungcomputing device
- 7171
- Signalempfangsschnittstellesignal receiving interface
- 7272
- Regelgrößeneingangcontrolled variable input
- 7373
- Signalausgabeschnittstellesignal output interface
- 7474
- Regelungssignalausgangcontrol signal output
- 7575
- Prozessorprocessor
- 7676
- SpeicherStorage
- 7777
- Anzeigeeinheitdisplay unit
- 100100
- prozesstechnische Anlageprocess plant
- 101101
- Leitstandrechnercontrol station computer
- 103103
- Prozessrechnerprocess computer
- 104104
- Prozessprocess
- 107107
- Signalübertragungsleitungsignal transmission line
- 111111
- aktives Stellgerätactive actuator
- 113113
- passives Stellgerätpassive actuator
- 130130
- Prozessreglerprocess controller
- 140140
- Referenzmodellreference model
- 141141
- virtuelle Abbildungvirtual image
- 150150
- Anpassungslogikcustomization logic
- 400400
- virtuelle Abbildungvirtual image
- 401401
- Routineroutine
- 410410
- Berechnungsabschnittcalculation section
- 420420
- Berechnungsabschnittcalculation section
- 430430
- Berechnungsabschnittcalculation section
- 440440
- Berechnungsabschnitt calculation section
- b1, b2b1, b2
- Betriebsartoperating mode
- pp
- Reglerparametercontroller parameters
- ss
- Steuersignalcontrol signal
- TDTD
- Totzeitdead time
- uand
- Stellgrößemanipulated variable
- u*u*
- Zwischenergebnisintermediate result
- xx
- Geräte-Regelgrößedevice controlled variable
- xx
- Zwischenergebnisintermediate result
- Zwischenergebnisintermediate result
- x̃x̃
- virtuelle Signalantwortvirtual signal response
- yy
- Regelgrößecontrolled variable
- ỹỹ
- virtuelle Regelgröße virtual controlled variable
- ττ
- θθ
- Simulationsparametersimulation parameters
- θRθR
- Referenz- SimulationsparameterReference simulation parameters
- θHθH
- historischer Simulationsparameterhistorical simulation parameter
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R082 | Change of representative |
Representative=s name: SKM-IP SCHMID KRAUSS KUTTENKEULER MALESCHA SCH, DE |